KR20200000749A - Integrated CO-Shift Reactor with Multi-Stage Temperature Control Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하는 합성가스(synthetic gas) 중의 일산화탄소를 수증기(H2O)와 반응시켜 수소로 변환시키는 수성가스전환(water gas shift, WGS) 반응기에 대한 것이다.The present invention is a water gas shift (WGS) reactor for converting carbon monoxide in a synthesis gas composed mainly of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) into hydrogen by reacting with water vapor (H 2 O). It is about.
석탄가스화복합발전(integrated coal gasification combined cycle, IGCC) 공정에 이산화탄소 제거공정(carbon capture and storage, CCS)을 결합할 경우, 수성가스변환반응(water gas shift reaction, WGS)을 통하여 이산화탄소(CO2)의 제거율을 향상시킬 수 있다. 수성가스변환반응은 가스화 과정에서 생성된 합성가스(synthetic gas) 중의 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 이산화탄소로 전환시키는 공정이다. 또한, 이 반응은 합성가스를 메탄화(methanization)하여 합성천연가스(synthetic natural gas, SNG)를 생산하는 경우에도 합성가스 중의 일산화탄소 대 수소의 비율을 메탄화 반응에 적절한 값으로 조절하기 위해 이용하는 공정이기도 하다. 나아가, 합성가스를 정제하여 연료 전지용 연료(수소)를 생산하는 과정(integrated gasification fuel cell, IGFC)에서도 수성가스전환 반응은 중요한 역할을 한다. When carbon capture and storage (CCS) is combined with the integrated coal gasification combined cycle (IGCC) process, carbon dioxide (CO 2 ) is introduced through a water gas shift reaction (WGS). Can improve the removal rate. Water gas conversion is a process of converting carbon monoxide (CO) in the synthesis gas (synthetic gas) produced in the gasification process into hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide. In addition, this reaction is used to control the ratio of carbon monoxide to hydrogen in the synthesis gas to an appropriate value for the methanation reaction even when the synthesis gas is methanized to produce synthetic natural gas (SNG). It is also. Furthermore, the water gas shift reaction also plays an important role in the process of purifying syngas to produce fuel (hydrogen) for fuel cells (IGFC).
수성가스전환 반응은 일산화탄소와 물(H2O)이 반응하여 이산화탄소와 수소를 만드는 반응이며, 반응식과 반응열은 하기의 화학식과 같다.Water gas shift reaction is a reaction of carbon monoxide and water (H 2 O) to form carbon dioxide and hydrogen, the reaction formula and the reaction heat is as shown in the following formula.
CO+H2O ↔ CO2+H2 (ΔH = -41.1kJ/mol)CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 (ΔH = -41.1kJ / mol)
수성가스전환 반응은 비교적 폭넓은 온도 범위에서 일어날 수 있다. 상세하게, 수성가스전환 반응의 저온(120~300℃)에서는 반응 속도가 느리지만, 반응물의 생성을 선호하는 화학평형이 이루어진다. 한편, 수성가스전환 반응의 온도가 상승하여 고온(300~450℃)에서는 반응속도가 증가하지만 평형상태에서의 반응물의 수율은 떨어지게 된다. 따라서, 온도범위에 따라 다른 종류의 촉매를 사용하는데, 고온에서는 주로 철(Fe)을 주성분으로 한 촉매를 사용하고, 저온에서는 알루미늄(Al)계 촉매가 주류를 이룬다.Water gas shift reactions can occur over a relatively wide temperature range. In detail, the reaction rate is slow at low temperatures (120-300 ° C.) of the water gas shift reaction, but a chemical equilibrium is favored for the production of reactants. On the other hand, the temperature of the water gas shift reaction is increased to increase the reaction rate at high temperatures (300 ~ 450 ℃), but the yield of the reactants in the equilibrium state falls. Therefore, different types of catalysts are used depending on the temperature range. At a high temperature, a catalyst mainly composed of iron (Fe) is used, and at a low temperature, an aluminum (Al) -based catalyst is the mainstream.
도 6a는 종래의 수성가스전환 공정을 적용한 IGCC 병산(polygeneration) 플랜트의 구성 예를 도시한 개념도이다. 도 6a를 참조하면, 수성가스전환 공정은 고온 반응기(high temperature shift, HTS) 저온 반응기(low temperature shift, LTS)의 조합에 의하여 구성되며 반응기의 개수, 각 반응기의 운전 온도 및 사용 촉매 등을 적절히 조합하여 원하는 생산물을 얻는 것이 공정 설계의 관건이다.6A is a conceptual diagram illustrating an example of a configuration of an IGCC polygeneration plant to which a conventional water gas conversion process is applied. Referring to Figure 6a, the water gas conversion process is composed of a combination of high temperature reactor (HTS), low temperature shift (LTS), the number of reactors, the operating temperature of each reactor and the catalyst used, etc. Combining to get the desired product is the key to process design.
도 6a의 IGCC 병산 플랜트에서는 사용되는 다수의 단열반응기를 직렬로 설치하고 반응기 사이에 냉각기(cooler)를 설치하는 방식은 반응기 자체의 온도를 제어하는 것이 용이하지 않다. 특히 고온 수성가스전환 반응기의 경우, 가스의 반응기 인입 온도가 통상 300℃ 이상이므로 수성가스전환 반응의 발열량이 많기 때문에 반응기 내부에서 국부적인 과열과 촉매의 소결 및 열화가 일어날 가능성이 높다. 따라서, 상기 IGCC 병산 플랜트의 공정 구성은 처리 대상 가스 중의 일산화탄소 농도가 높지 않아 반응에 의해 발생하는 발열량이 많지 않은 경우에 적합하다.In the IGCC parallel plant of FIG. 6A, a plurality of adiabatic reactors used in series and a cooler between the reactors are not easily controlled to control the temperature of the reactor itself. Particularly in the case of the high temperature water gas shift reactor, since the reactor inlet temperature of the gas is usually 300 ° C. or higher, the calorific value of the water gas shift reaction is high, so that there is a high possibility of local overheating and sintering and deterioration of the catalyst inside the reactor. Therefore, the process configuration of the IGCC combined acid plant is suitable for the case that the concentration of carbon monoxide in the gas to be treated is not high and the calorific value generated by the reaction is not high.
하지만, 상기 IGCC 병산 플랜트의 단열 수성가스전환 반응기의 사용은 일산화탄소의 농도가 40~60% 정도로 매우 높은 석탄을 가스화하여 만드는 합성가스의 제조에는 반응열로 인한 촉매 온도의 과도한 상승으로 적절치 않다. However, the use of the adiabatic water gas shift reactor of the IGCC combined acid plant is not suitable for the production of syngas produced by gasifying coal having a high carbon monoxide concentration of about 40 to 60% due to excessive rise in catalyst temperature due to reaction heat.
도 6b는 종래의 향류 냉각형 수성가스 반응기(countercurrent gas cooled reactor)를 도시한 개념도이다. 도 6b를 참조하면, 상기 향류 냉각형 수성가스 반응기 내부는 전형적인 쉘(shell)-튜브(tube) 형 열교환기 구조를 가진다. 상기 향류 냉각형 수성가스 반응기로 들어간 합성가스는 벽을 타고 내려와 튜브 내부를 통해 상부로 올라가게 된다. 상기 향류 냉각형 수성가스 반응기 상부로 올라간 가스는 쉘 측을 지나 하부로 다시 내려오는데, 쉘 측에는 고온용 수성가스변환반응 촉매가 채워져 있어서 수성가스변환 반응이 일어나며 가스의 온도가 상승하게 된다 반응기 상부에서 하부로 쉘 측을 통해 내려오는 고온의 가스는 튜브 쪽을 통해 상승하는 미반응 합성가스를 예열하는 구조를 가진다.6B is a conceptual diagram illustrating a conventional countercurrent gas cooled reactor. Referring to FIG. 6B, the countercurrent cooled water gas reactor interior has a typical shell-tube heat exchanger structure. The syngas entering the countercurrent cooled water gas reactor descends the wall and rises upward through the inside of the tube. The gas rising to the top of the countercurrent cooling water gas reactor is passed down to the bottom through the shell side, and the shell side is filled with a high temperature water gas shift reaction catalyst so that the water gas shift reaction occurs and the temperature of the gas rises. The hot gas coming down through the shell side has a structure to preheat the unreacted syngas rising through the tube side.
상기 향류 냉각형 수성가스 반응기는 반응기 외부로 열이 배출되지 않으며 반응가스와 미반응 가스와의 열교환에 의해 미반응 가스의 예열과 반응 가스의 냉각이 동시에 한 반응기에서 이루어지는 특징을 가지고 있다. 상기 향류 냉각형 수성가스 반응기열교환 구조의 한 예로서, 반응기로 유입된 약 230℃의 합성가스는 튜브를 통해 상승하면서 약 380℃까지 예열되고, 예열된 합성가스는 쉘 측의 촉매층을 통과하면서 수성가스전환 반응에 의해 증가하며 국부적으로는 약 550℃까지 상승한다. 이후에는 예열된 합성가스는 튜브속의 미반응 합성가스에 열을 빼앗기면서 반응기로부터 배출될 때는 약 410℃까지 냉각된다. 이러한 온도 변화는 초기 합성가스의 온도, 압력 및 조성, 내부 열교환기의 기계적 구조, 사용 촉매의 특성 등에 따라 다양하게 조절할 수 있다.The countercurrent cooling water gas reactor is characterized in that heat is not discharged to the outside of the reactor, and preheating of the unreacted gas and cooling of the reactant gas are simultaneously performed in one reactor by heat exchange between the reaction gas and the unreacted gas. As an example of the countercurrent cooling water gas reactor heat exchange structure, about 230 ° C. of the synthesis gas introduced into the reactor is preheated to about 380 ° C. as it rises through the tube, and the preheated syngas is passed through the catalyst layer on the shell side. Increased by gas shift reactions and locally raised to about 550 ° C. Thereafter, the preheated syngas is cooled to about 410 ° C. when it is discharged from the reactor while losing heat to the unreacted syngas in the tube. This temperature change can be variously adjusted according to the temperature, pressure and composition of the initial synthesis gas, the mechanical structure of the internal heat exchanger, the characteristics of the catalyst used.
도 6c는 종래의 향류 냉각형 수성가스 반응기의 내부 온도 변화를 도시한 그래프이다. 상기 향류 냉각형 수성가스 반응기는 별도의 냉매 순환이 필요하지 않으므로 공정 설계가 간단하다. 또한, 반응열을 가스의 예열에 사용한다는 점에서 열효율이 높다는 장점이 있다. 하지만, 반응기의 내부 온도를 직접적으로 제어하지 못한다는 단점이 있다. 특히 반응기의 구조가 고정되어 있어서 인입가스의 조성, 유량, 온도, 압력 변화가 발생할 경우 온도의 급상승이나 반응성의 변화 등을 제어하기가 어려운 구조이다. Figure 6c is a graph showing the internal temperature change of the conventional countercurrent cooling water gas reactor. The countercurrent cooling water gas reactor does not require a separate refrigerant circulation, so the process design is simple. In addition, there is an advantage that the thermal efficiency is high in that the reaction heat is used for preheating the gas. However, there is a disadvantage in that the internal temperature of the reactor cannot be directly controlled. In particular, since the structure of the reactor is fixed, it is difficult to control a sudden rise in temperature or change in reactivity when a composition, flow rate, temperature, or pressure change of the incoming gas occurs.
또한, 운전 시간 경과에 따라 촉매 성능이나 열교환 효율에 변화가 생길 경우 온도의 국부적 상승이나 온도 저하에 따른 반응성 저하에 대처하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다.In addition, when a change in catalyst performance or heat exchange efficiency occurs over time, there is a problem in that it is not easy to cope with a local increase in temperature or a decrease in reactivity due to temperature drop.
이에, 본 발명에서는 반응기의 온도 제어가 가능하고, 열손실이 최소화 될 수 있는 수성가스전환 반응기에 대하여 제시한다.Thus, the present invention proposes a water gas conversion reactor that can control the temperature of the reactor, the heat loss can be minimized.
본 발명의 일 목적은 본 발명의 다른 일 목적은 설치면적이 감소된 수성가스전환 반응기를 제공하기 위한 것이다.One object of the present invention is to provide a water gas shift reactor with a reduced installation area.
또한, 열회수율이 우수하고, 일산화탄소의 전환율이 높은 수성가스전환 반응기를 제공하기 위한 것이다.In addition, it is to provide a water gas conversion reactor having a high heat recovery rate and a high conversion rate of carbon monoxide.
또한, 운전 시간 경과에 따라 촉매 성능이나 열교환 효율에 변화가 생길 경우에도 반응기의 온도 제어를 용이하게 할 수 있는 수성가스전환 반응기를 제공하기 위한 것이다.In addition, it is to provide a water gas shift reactor that can facilitate the temperature control of the reactor even if a change in the catalyst performance or heat exchange efficiency over the operation time.
본 발명은 수성가스전환 반응기에 관한것으로, 일산화탄소를 포함하는 가스 및 스팀을 포함하는 합성가스를 공급하는 합성가스공급부; 상기 합성가스를 촉매와 반응시켜 수소로 전환시키는 가스반응부; 및 상기 가스반응부를 통과하여 생성된 배출가스를 배출하도록 형성되는 배출부를 포함한다. 상세하게, 상기 가스반응부는, 상기 합성가스공급부로부터 연장 형성되고, 상기 합성가스에 포함된 일산화탄소를 고온에서 수소로 전환시키는 고온촉매를 포함하여 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 생성하도록 형성되는 제1반응부; 및 상기 제1반응부로부터 연장 형성되고, 상기 중간가스가 유입되도록 형성되고, 상기 중간가스에 포함된 일산화탄소를 저온에서 수소로 전환시키는 저온촉매를 포함하여 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 상기 배출가스를 생성하도록 형성되는 제2반응부를 포함하고, 상기 제1반응부 및 상기 제2반응부는 상기 가스반응부에 일체형으로 형성되고, 상기 제1반응부는 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제1열교환부를 구비하고, 상기 제2반응부는 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제2열교환부를 구비할 수 있다. The present invention relates to a water gas shift reactor, comprising: a synthesis gas supply unit supplying a synthesis gas including a gas and carbon containing carbon monoxide; A gas reaction unit for converting the synthesis gas into hydrogen by reacting the synthesis gas; And a discharge part formed to discharge the discharge gas generated through the gas reaction part. In detail, the gas reaction part is formed to extend from the syngas supply unit and to generate an intermediate gas having a lower carbon monoxide concentration than the syngas, including a high temperature catalyst for converting carbon monoxide contained in the syngas into a hydrogen at a high temperature. A first reaction part formed; And a low temperature catalyst extending from the first reaction part and formed to introduce the intermediate gas and converting carbon monoxide contained in the intermediate gas from low temperature to hydrogen, wherein the concentration of carbon monoxide is lower than that of the intermediate gas. A first heat exchange part including a second reaction part formed to generate gas, wherein the first reaction part and the second reaction part are integrally formed with the gas reaction part, and the first reaction part is formed to supply a medium pressure boiler feed water. And a second heat exchanger configured to supply the low pressure boiler feed water.
실시예에 있어서, 상기 가스반응부 내부의 상기 합성가스공급부와 상기 제1반응부 사이에 제1다공판이 구비되고, 상기 제1다공판은 상기 합성가스의 유속 분포를 고르게 하도록 형성될 수 있다.In an embodiment, a first porous plate may be provided between the synthesis gas supply unit and the first reaction unit inside the gas reaction unit, and the first porous plate may be formed to evenly distribute the flow rate of the synthesis gas. .
실시예에 있어서, 상기 제1다공판 하부에 제1온도계를 구비될 수 있다.In an embodiment, a first thermometer may be provided below the first porous plate.
실시예에 있어서, 상기 제1열교환부는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성될 수 있다.In an embodiment, the first heat exchange part may be formed in a shell-tube type heat exchanger structure.
실시예에 있어서, 상기 제1열교환부의 튜브측은 상기 합성가스가 유동을 형성하도록 형성될 수 있다.In an embodiment, the tube side of the first heat exchange part may be formed so that the syngas forms a flow.
실시예에 있어서, 상기 제1열교환부의 쉘측은, 상기 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제1공급부; 상기 합성가스가 상기 중간가스로 전환되며 발생되는 열을 공급받아 상기 중압 보일러 공급수가 상변화한 증기를 포함하는 중압 증기를 배출하도록 형성되는 제1배출부; 및 상기 제1배출부로부터 배출되는 중압 증기에 포함된 액체를 분리하여 상기 제1열교환부의 쉘측으로 공급하도록 형성되는 제2공급부를 포함할 수 있다.In an embodiment, the shell side of the first heat exchange part may include: a first supply part configured to supply the medium pressure boiler feed water; A first discharge part configured to discharge the medium pressure steam including steam in which the medium pressure boiler feed water is phase-changed by receiving the heat generated while the synthesis gas is converted into the intermediate gas; And a second supply part configured to separate the liquid contained in the medium pressure vapor discharged from the first discharge part and supply the liquid to the shell side of the first heat exchange part.
실시예에 있어서, 상기 제1배출부에 연장 형성된 제1기수분리부를 더 구비하고, 상기 제1기수분리부에서 분리된 응축수는 상기 제2공급부로 공급되도록 형성될 수 있다.In an embodiment, the first water separator may further include a first separator separated from the first discharge part, and the condensed water separated from the first separator may be formed to be supplied to the second supply part.
실시예에 있어서, 상기 제1온도계에서 측정된 온도에 따라서 상기 제1공급부에서 공급되는 상기 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 제1반응부의 온도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다.In an embodiment, the flow rate of the medium pressure boiler feed water supplied from the first supply unit may be adjusted according to the temperature measured by the first thermometer to maintain a constant temperature of the first reaction unit.
실시예에 있어서, 상기 가스반응부 내부의 상기 제1반응부와 상기 제2반응부 사이에 제2다공판이 구비되고, 상기 제2다공판은 상기 중간가스의 유속 분포를 고르게 하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, a second porous plate is provided between the first reaction unit and the second reaction unit inside the gas reaction unit, and the second porous plate is formed to evenly distribute the flow rate of the intermediate gas. It can be characterized.
실시예에 있어서, 상기 제2다공판 하부에 제2온도계를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, a second thermometer may be provided below the second porous plate.
실시예에 있어서,상기 배출부의 상부에는 제3온도계를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the upper portion of the discharge unit may be characterized in that it comprises a third thermometer.
실시예에 있어서, 상기 제2열교환부는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the second heat exchange part may be formed in a shell-tube type heat exchanger structure.
실시예에 있어서, 상기 제2열교환부의 튜브측은 상기 중간가스가 유동을 형성하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the tube side of the second heat exchange part may be characterized in that the intermediate gas is formed to form a flow.
실시예에 있어서, 상기 제2열교환부의 쉘측은, 상기 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제3공급부; 상기 중간가스가 상기 배출가스로 전환되며 발생되는 열을 공급받아 상기 저압 보일러 공급수가 상변화한 증기를 포함하는 저압 증기를 배출하도록 형성되는 제2배출부; 및 상기 제2배출부로부터 배출되는 저압 증기에 포함된 액체를 분리하여 상기 제2열교환부의 쉘측으로 공급하도록 형성되는 제4공급부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the shell side of the second heat exchange part may include: a third supply part configured to supply the low pressure boiler feed water; A second discharge part configured to discharge the low pressure steam including the vapor in which the low pressure boiler feed water is phase-changed by receiving the heat generated while the intermediate gas is converted into the discharge gas; And a fourth supply unit configured to separate the liquid contained in the low pressure steam discharged from the second discharge unit and supply the liquid to the shell side of the second heat exchange unit.
실시예에 있어서, 상기 제2배출부에 연장 형성된 제2기수분리부를 더 구비하고, 상기 제2기수분리부에서 분리된 응축수는 상기 제4공급부로 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the second water separator may further include a second water separator formed in the discharge portion, wherein the condensed water separated from the second water separator may be formed to be supplied to the fourth supply part.
실시예에 있어서, 상기 제2온도계 및 상기 제3온도계에서 측정된 온도에 따라서 상기 제3공급부에서 공급되는 상기 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 제2반응부의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the flow rate of the low pressure boiler feed water supplied from the third supply unit is adjusted according to the temperature measured by the second thermometer and the third thermometer to maintain a constant temperature of the second reaction unit. It can be characterized.
또한, 본 발명은 전술된 수성가스전환 반응기를 포함하는 수성가스전환 시스템을 포함할 수 있다.In addition, the present invention may include a water gas shift system including the water gas shift reactor described above.
또한, 본 발명은 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법에 관한것으로, 합성가스공급부로 일산화탄소를 포함하는 가스 및 스팀을 포함하는 합성가스를 공급하는 가스공급단계; 상기 제1반응부에서 상기 합성가스를 300 내지 450℃의 고온에서 고온촉매와 반응시켜 합성가스의 적어도 일부를 수소로 전환시키고, 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 형성하는 고온반응단계; 상기 제2반응부에서 상기 중간가스의 적어도 일부를 200 내지 250℃의 저온에서 저온촉매와 반응시켜 수소로 전환시키고, 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 배출가스를 형성하는 저온반응단계; 및 상기 수성가스전환 반응기에서 상기 배출가스를 배출하는 배출단계를 포함할 수 있다. 상세하게, 상기 고온반응단계는 중압 보일러 공급수가 공급되는 제1열교환기의 작동으로 300 내지 450℃의 고온환경을 유지하고, 상기 저온반응단계는 저압 보일러 공급수가 공급되는 제2열교환기의 작동으로 200 내지 250℃의 저온환경을 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the present invention relates to a hydrogen production method using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit, a gas supply for supplying a synthesis gas including a gas containing carbon monoxide and steam to the synthesis gas supply unit step; A high temperature reaction step of reacting the synthesis gas with a high temperature catalyst at a high temperature of 300 to 450 ℃ in the first reaction unit to convert at least a portion of the synthesis gas to hydrogen, and to form an intermediate gas having a lower concentration of carbon monoxide than the synthesis gas ; A low temperature reaction step of reacting at least a portion of the intermediate gas with a low temperature catalyst at a low temperature of 200 to 250 ° C. in the second reaction unit to convert hydrogen into a hydrogen and forming an exhaust gas having a lower concentration of carbon monoxide than the intermediate gas; And a discharge step of discharging the exhaust gas from the water gas conversion reactor. Specifically, the high temperature reaction step is to maintain a high temperature environment of 300 to 450 ℃ by the operation of the first heat exchanger supplied with the medium pressure boiler feed water, the low temperature reaction step is to operate the second heat exchanger supplied with the low pressure boiler feed water It may be characterized by maintaining a low temperature environment of 200 to 250 ℃.
실시예에 있어서, 상기 가스공급단계와 상기 고온반응단계 사이에 상기 합성가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제1유속조절단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the method may include a first flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the syngas between the gas supplying step and the high temperature reaction step.
실시예에 있어서, 상기 고온반응단계에서 상기 제1열교환기에 공급되는 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 고온환경이 유지되고, 상기 중압 보일러 공급수의 유량은 상기 제1반응부 내부의 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, in the high temperature reaction step, the flow rate of the medium pressure boiler feed water supplied to the first heat exchanger is adjusted to maintain the high temperature environment, and the flow rate of the medium pressure boiler feed water is maintained at a temperature inside the first reaction part. It may be characterized in that it is adjusted accordingly.
실시예에 있어서, 상기 고온반응단계와 상기 저온반응단계 사이에 상기 중간가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제2유속조절단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, the method may include a second flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the intermediate gas between the high temperature reaction step and the low temperature reaction step.
실시예에 있어서, 상기 저온반응단계에서 상기 제2열교환기에 공급되는 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 저온환경이 유지되고, 상기 저압 보일러 공급수의 유량은 상기 제2반응부 내부의 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment, in the low temperature reaction step, the flow rate of the low pressure boiler feed water supplied to the second heat exchanger is adjusted to maintain the low temperature environment, and the flow rate of the low pressure boiler feed water is maintained at a temperature inside the second reaction part. It may be characterized in that it is adjusted accordingly.
본 발명에 의한 수성가스전환 반응기는 제1반응부로부터 연장 형성되어 형성되는 제2반응부를 구비하고, 제1반응부 및 제2반응부는 일체형으로 형성되므로, 제1반응부 및 제2반응부를 서로 연결하는 별도의 연결장치 또는 배관이 배제되어 수성가스전환 반응기의 설치면적이 늘어나는 것을 방지할 수 있다는 효과가 있다.The water gas shift reactor according to the present invention includes a second reaction part formed extending from the first reaction part, and the first reaction part and the second reaction part are integrally formed, and thus, the first reaction part and the second reaction part are mutually different. There is an effect that it is possible to prevent the installation area of the water-gas conversion reactor is increased by eliminating the separate connection device or pipe to connect.
또한, 가스반응부에 제1반응부 및 제2반응부가 일체형으로 형성되어 손실되는 열이 감소하여 열회수율이 우수하고, 일산화탄소의 전환율이 높다는 효과가 있다.In addition, since the heat loss of the first reaction part and the second reaction part are integrally formed in the gas reaction part, the heat loss is excellent and the conversion rate of carbon monoxide is high.
또한, 제1열교환부를 구비하는 제1반응부 및 제2열교환부를 구비하는 제2반응부에 의하여 온도 제어가 되어, 운전 시간 경과에 따라 촉매 성능이나 열교환 효율에 변화가 생길 경우에도 합성가스를 촉매와 반응시켜 수소로 전환시키는 가스반응부의 온도 제어가 용이하므로 배출가스의 조성을 원하는 방향으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.In addition, temperature is controlled by the first reaction unit including the first heat exchange unit and the second reaction unit including the second heat exchange unit, and thus, even when a change in catalyst performance or heat exchange efficiency occurs over time, the synthesis gas is catalyzed. Since it is easy to control the temperature of the gas reaction unit that reacts with and converts to hydrogen, there is an effect that the composition of the exhaust gas can be controlled in a desired direction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 반응기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 반응기를 포함하는 수성가스전환 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 시스템에서 수행되는 반응을 상용 프로그램을 이용하여 공정 모사 및 공정 모사 결과를 도시한 개념도이다.
도 5는 비교예에 관련된 종래의 수성가스전환 시스템의 개념도이다.
도 6a는 종래의 수성가스전환 공정을 적용한 IGCC 병산(polygeneration) 플랜트의 구성 예를 도시한 개념도이다.
도 6b는 종래의 향류 냉각형 수성가스 반응기(countercurrent gas cooled reactor)를 도시한 개념도이다.
도 6c는 종래의 향류 냉각형 수성가스 반응기의 내부 온도 변화를 도시한 것이다. 1 is a conceptual diagram of a water gas shift reactor according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of a water gas shift system including a water gas shift reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a hydrogen production method using the water gas shift reactor of the present invention.
4 is a conceptual diagram illustrating a process simulation and a process simulation result by using a commercial program for the reaction performed in the water gas conversion system according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of a conventional water gas conversion system according to a comparative example.
6A is a conceptual diagram illustrating an example of a configuration of an IGCC polygeneration plant to which a conventional water gas conversion process is applied.
6B is a conceptual diagram illustrating a conventional countercurrent gas cooled reactor.
Figure 6c shows the internal temperature change of the conventional countercurrent cooled water gas reactor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffix "part" for components used in the following description is given or mixed in consideration of ease of specification, and does not have meanings or roles that are distinguished from each other. In addition, in describing the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, it should be noted that the accompanying drawings are only for easily understanding the embodiments disclosed in the present specification and are not to be construed as limiting the technical spirit disclosed in the present specification by the accompanying drawings.
첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The spirit of the present disclosure is not limited by the accompanying drawings, and it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described to be easily carried out by those of ordinary skill in the art.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 반응기(100)의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a water
도 1을 참조하면, 수성가스전환 반응기(100)는 합성가스공급부(110), 가스반응부(120) 및 배출부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the water
합성가스공급부(110)는 일산화탄소(CO)를 포함하는 가스 및 스팀을 가스반응부(120)으로 공급하도록 형성된다. 이하에서 전술된 가스 및 스팀은 합성가스로 명명될 수 있다. 나아가, 가스반응부(120)에서는 합성가스공급부(110)로부터 공급받은 합성가스를 촉매와 반응시켜 수성가스전환 반응이 수행된다. 상세하게, 수성가스전환 반응은 일산화탄소와 물(H2O)이 반응하여 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)가 형성되는 반응이다. 덧붙여, 가스반응부(120)에서 수성가스전환 반응이 수행되어 생성된 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 포함하는 배출가스는 배출부(130)를 통하여 배출될 수 있다.Synthesis
상세하게, 가스반응부(120)는 합성가스공급부(110)으로부터 연장 형성되고, 제1반응부(140) 및 제2반응부(150)를 포함한다. 제1반응부(140) 및 제2반응부(150)는 가스반응부(120)의 내부에 서로 연결하는 별도의 연결장치 또는 배관이 배제되어 바로 연결될 수 있다. 이에, 수성가스전환 반응기(100)는 종래의 수성가스전환 반응기보다 좁은 설치면적 필요하여 설치공간을 효율적으로 사용할 수 있다.In detail, the
제1반응부(140)는 가스반응부(120)에서 공급된 합성가스에 포함된 일산화탄소를 300 내지 450℃ 범위의 고온에서 수소로 전환시키는 고온촉매(141)를 포함하여 가스반응부(120)에서 공급된 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 생성하도록 형성될 수 있다.The
또한, 제1반응부(140)는 중압 보일러 공급수가 공급되어 가스반응부(120)에서 공급된 합성가스와 고온촉매(141)가 반응하여 생성되는 반응열과 열교환할 수 있는 제1열교환부(142)를 구비할 수 있다. In addition, the
제1열교환부(142)는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성될 수 있다. 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기는 다른 형태의 열교환기에 비해 열전달 효율이 매우 우수하여 쉘측을 이동하는 유체와 튜브측을 이동하는 유체의 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다. The first
제1열교환부(142)의 튜브측은 합성가스가 유동을 형성하도록 형성될 수 있다. 한편, 제1열교환부(142)의 쉘측은 제1공급부(142a), 제1열전달부(142b), 제1배출부(142c) 및 제2공급부(142d)를 포함한다.The tube side of the
제1공급부(142a)는 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되고, 제1공급부(142a)로 공급된 중압 보일러 공급수는 제1열전달부(142b)로 이동하여, 튜브측을 이동하는 합성가스와 고온촉매(141)의 반응으로 발열 반응인 수성가스전환 반응이 수행되면서 생성된 열과 열교환이 수행된다. 이에, 중압 보일러 공급수는 상변화하여 중압 증기가 생성될 수 있다. 상기 중압 증기는 제1배출부(142c)로 배출될 수 있다. The
또한, 제2공급부(142d)는 제1배출부(142c)로부터 배출되는 중압 증기에 포함된 분리된 액체를 제1열교환부(142)의 쉘측인 제1열전달부(142b)로 공급하도록 형성될 수 있다. 덧붙여, 제1열교환부(142)는 제1기수분리부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 제1기수분리부는 제1배출부(142c)에 연장 형성되고, 제2공급부(142d)로 공급되는 중압 증기로부터 액체와 기체를 분리할 수 있다. 이때 분리된 액체는 전술된 것과 같이 제2공급부(142d)로 공급될 수 있다.In addition, the
한편, 수성가스전환 반응기(100)는 가스반응부(120) 내부의 합성가스공급부(110)와 제1반응부(140) 사이에 제1다공판(160)을 구비할 수 있다. 제1다공판(160)은 합성가스의 유속 분포를 고르게 해주므로, 제1반응부(140)에서 반응이 균일하게 이루어지도록 형성된다.Meanwhile, the water
또한, 수성가스전환 반응기(100)는 제1다공판(160) 하부에는 제1온도계(143)를 구비하여 제1반응부(140)의 온도를 측정하도록 형성된다. 제1온도계(143)에서 측정된 온도에 따라서 제1공급부(142a)를 통하여 공급되는 중압 보일러 공급수의 유량이 조절될 수 있다. 즉, 수성가스전환 반응이 수행되는 고온촉매(141)에서 발생하는 열과 제1공급부(142a)를 통하여 공급되는 중압 보일러 공급수의 열교환이 조절되어 제1반응부(140)의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. In addition, the water
제1반응부(140)에서 생성된 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스는 제2반응부(150)으로 유입되어, 중간가스에 포함된 일산화탄소를 200 내지 250℃ 범위의 저온에서 수소로 전환시키는 저온촉매(151)를 포함하여 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 배출가스를 생성하도록 형성될 수 있다.The intermediate gas having a lower concentration of carbon monoxide than the synthesis gas generated in the
또한, 제2반응부(150)는 저압 보일러 공급수가 공급되어 중간가스와 저온촉매(151)가 반응하여 생성되는 반응열과 열교환할 수 있는 제2열교환부(152)를 구비할 수 있다. In addition, the
제2열교환부(152)는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성될 수 있다. 제2열교환부(152)의 튜브측은 중간가스가 유동을 형성하도록 형성될 수 있다. 한편, 제2열교환부(152)의 쉘측은 제3공급부(152a), 제2열전달부(152b), 제2배출부(152c) 및 제4공급부(152d)를 포함한다. The second
제3공급부(152a)는 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되고, 제3공급부(152a)로 공급된 저압 보일러 공급수는 제2열전달부(152b)로 이동하여, 튜브측을 이동하는 중간가스와 저온촉매(151)의 반응으로 발열 반응인 수성가스전환 반응이 수행되면서 생성된 열과 열교환이 수행된다. 이에, 저압 보일러 공급수는 상변화하여 저압 증기가 생성될 수 있다. 상기 저압 증기는 제2배출부(152c)로 배출될 수 있다. The
또한, 제4공급부(152d)는 제2배출부(152c)로부터 배출되는 저압 증기에 포함된 분리된 액체를 제2열교환부(152)의 쉘측인 제2열전달부(152b)로 공급하도록 형성될 수 있다. 덧붙여, 제2열교환부(152)는 제2기수분리부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 제2기수분리부는 제2배출부(152c)에 연장 형성되고, 제4공급부(152d)로 공급되는 중압 증기로부터 액체와 기체를 분리할 수 있다. 이때 분리된 액체는 전술된 것과 같이 제4공급부(152d)로 공급될 수 있다.In addition, the
한편, 수성가스전환 반응기(100)는 가스반응부(120) 내부의 제1반응부(140)와 제2반응부(150) 사이에 제2다공판(170)을 구비할 수 있다. 제2다공판(170)은 합성가스의 유속 분포를 고르게 해주므로, 제2반응부(150)에서 반응이 균일하게 이루어지도록 형성된다.Meanwhile, the water
또한, 수성가스전환 반응기(100)는 제2다공판(170) 하부에는 제2온도계(153)를 구비하고, 배출부(130)의 상부에는 제3온도계(154)를 구비하여, 제2반응부(150)의 온도를 측정하도록 형성된다. 제2온도계(153) 및 제3온도계(154)에서 측정된 온도에 따라서 제3공급부(152a)를 통하여 공급되는 저압 보일러 공급수의 유량이 조절될 수 있다. 즉, 수성가스전환 반응이 수행되는 저온촉매(151)에서 발생하는 열과 제3공급부(152a)를 통하여 공급되는 저압 보일러 공급수의 열교환이 조절되어 제2반응부(150)의 온도가 일정하게 유지될 수 있다.In addition, the water
수성가스전환 반응기(100)는 제1열교환부(142)를 구비하는 제1반응부(140) 및 제2열교환부(152)를 구비하는 제2반응부(150)의 온도가 독립적으로 조절될 수 있다. 상세하게, 제1열교환부(142)는 제1온도계(143)에서 측정된 내부 온도를 기반으로 제1열교환부(142)의 쉘측으로 공급되는 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 온도가 제어될 수 있다. 나아가, 제2열교환부(152)는 제2온도계(153) 및 제3온도계(154)에서 측정된 내부 온도를 기반으로 제2열교환부(152)의 쉘측으로 공급되는 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 온도가 제어될 수 있다.The water
이에, 운전 시간 경과에 따라 고온촉매(141) 및 저온촉매(151)의 성능의 변화 열교환 효율에 변화가 생길 경우에도 합성가스 또는 중간가스를 각각 고온촉매(141)와 저온촉매(151)와 반응시켜 수소로 전환시키는 환경의 온도 제어가 용이하므로 배출가스의 조성을 우리가 원하는 방향으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.Accordingly, even when a change in the performance of the
이하 설명되는 수성가스전환 시스템(1000)에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다. In the water
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 반응기(100)를 포함하는 수성가스전환 시스템(1000)의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a water
도 2를 참조하면, 수성가스전환 시스템(1000)은 수성가스전환 반응기(100)를 포함하여 미반응가스(1), 중압증기(2), 저압증기(3) 및 배출가스(4)가 유입, 방출 또는 순환되도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2, the water
일산화탄소를 포함하는 수성가스전환 반응이 수행되지 않은 상태의 미반응가스(1)는 수성가스전환 반응기(100)로 유입되면서, 스팀을 포함하게 되어 전술된 합성가스로 전환될 수 있다. 이때, 스팀은 저압 증기 응축수 순환 펌프(19)에 의하여 첨가될 수 있다. 상기 합성가스는 전술된 고온촉매 및 저온촉매를 구비하는 수성가스전환 반응기(100)로 유입된다. 미반응가스(1) 및 저압 증기 응축수 순환 펌프(19)에 의해 공급되는 스팀은 열교환기(11)에 의하여 공급될 때의 온도가 조절될 수 있다. 온도가 조절된 미반응가스(1) 및 상기 스팀은 전술된 고온촉매 및 저온촉매를 거치면서 수성가스전환 반응이 수행되어 수소를 생성한다. The
전술된 제1열교환부 및 제2열교환부의 쉘 측으로는 중압 보일러 공급수(6)와 저압 보일러 공급수(5)가 주입된다. 이에, 중압 보일러 공급수(6)는 중압증기(2)로 전환되고, 저압 보일러 공급수(5)는 저압증기(3)로 전환될 수 있다. 중압증기(2)와 저압증기(3)는 전기가열기(14, 24)의 하부에서 일부가 응축될 수 있다.The medium pressure
이어서, 일부 응축된 응축수는 해당되는 열교환부의 쉘측으로 보내어질 수 있다. 전기가열기(14, 24)는 공정 가동 초기에 보일러를 예열하여 보일러의 내부의 온도와 압력을 유지시키는 기능을 수행할 수 있다. 중압증기(2)와 저압증기(3)의 일부는 재순환되어 수성가스전환 반응기(100)로 재주입되며, 이를 통해 상기 합성가스의 미반응가스(1)와 스팀의 비율을 조정될 수 있다. 상세하게, 상기 합성가스 중의 일산화탄소와 스팀의 비율은 유량계(18, 28, 38)의 유량 신호를 받아 압력제어밸브(13,23)의 개도가 조정됨으로써 수성가스전환 반응기(100)로 재주입되는 스팀의 유량이 조절될 수 있다.Then, some condensed condensate can be sent to the shell side of the corresponding heat exchange section. The
한편, 압력계(16, 26)는 각각 저압 보일러 공급수(5)와 중압 보일러 공급수(5)의 압력을 측정하며, 이 신호를 압력조절밸브(13, 23)에 전달한다. 이에, 각각의 증기 발생량을 조절함으로써 전술된 가스반응부의 상부에 구비된 상기 제1반응부와 하부의 구비된 상기 제2반응부의 내부 온도가 적정한 범위 내로 조절될 수 있다.On the other hand, the pressure gauge (16, 26) measures the pressure of the low pressure boiler feed water (5) and the medium pressure boiler feed water (5), respectively, and transmits this signal to the pressure regulating valves (13, 23). Thus, by adjusting the amount of steam generated, the internal temperature of the first reaction unit and the second reaction unit provided at the upper portion of the above-described gas reaction unit may be adjusted within an appropriate range.
덧붙여, 기수분리기(17, 27)의 높이는 전술된 제1열교환부의 쉘측과 제2열교환부의 쉘측의 액위와 일치하도록 설치된다. 덧붙여, 수위계(15, 25)가 기수분리기(17, 27)의 수위를 측정하고 이 수위 정보는 유량조절밸브(32, 42)에 전달되어 수성가스전환 반응기(100)에 주입되는 중압 보일러 공급수(6)와 저압 보일러 공급수(5)의 유량을 조절하고 상기 제1열교환부의 쉘측과 제2열교환부의 쉘측의 액위를 일정하게 유지하도록 형성될 수 있다.In addition, the heights of the
수성가스전환 반응기(100)의 하부로 배출되는 고온의 배출가스는 열교환기(21, 31)에서의 열교환을 통해 중압 보일러 공급수(6) 및 저압 보일러 공급수(5)를 예열하도록 형성될 수 있다. The hot exhaust gas discharged to the bottom of the water
도 3은 본 발명의 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법을 도시한 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a hydrogen production method using the water gas shift reactor of the present invention.
도 3을 참조하면, 상기 제1반응부 및 상기 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법은 가스공급단계(S1), 고온반응단계(S2), 저온반응단계(S3) 및 배출단계(S4)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the hydrogen production method using the water gas conversion reactor including the first reaction unit and the second reaction unit includes a gas supply step (S1), a high temperature reaction step (S2), a low temperature reaction step (S3), and It comprises a discharge step (S4).
가스공급단계(S1), 고온반응단계(S2), 저온반응단계(S3) 및 배출단계(S4)는 순차적으로 수행되어 일산화탄소가 수소로 전환되는 반응이 수행될 수 있다. 가스공급단계(S1)는 합성가스공급부로 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 공급하는 단계이다. The gas supply step (S1), the high temperature reaction step (S2), the low temperature reaction step (S3) and the discharge step (S4) may be carried out sequentially so that the reaction of converting carbon monoxide into hydrogen may be performed. The gas supply step S1 is a step of supplying a synthesis gas containing carbon monoxide to the synthesis gas supply unit.
이어서 수행되는 고온반응단계(S2)는 상기 제1반응부에서 상기 합성가스를 300 내지 450℃의 고온에서 고온촉매와 반응시켜 합성가스의 적어도 일부를 수소로 전환시킨다. 이에, 고온반응단계(S2)에서는 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스가 형성될 수 있다. Subsequently, the high temperature reaction step (S2) performed is performed to convert at least a part of the synthesis gas into hydrogen by reacting the synthesis gas with a high temperature catalyst at a high temperature of 300 to 450 ° C. in the first reaction unit. Thus, in the high temperature reaction step (S2), an intermediate gas having a lower concentration of carbon monoxide than the synthesis gas may be formed.
또한, 고온반응단계(S2)는 중압 보일러 공급수를 공급받는 제1열교환기의 작동으로 300 내지 450℃의 고온환경을 유지할 수 있다. 상세하게, 고온반응단계(S2)에서 상기 제1열교환기에 공급되는 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 고온환경이 유지되고, 상기 중압 보일러 공급수의 유량은 상기 제1반응부 내부의 온도에 따라 조절될 수 있다.In addition, the high temperature reaction step (S2) may maintain a high temperature environment of 300 to 450 ℃ by the operation of the first heat exchanger receiving the medium pressure boiler feed water. In detail, in the high temperature reaction step (S2), the flow rate of the medium pressure boiler feed water supplied to the first heat exchanger is controlled to maintain the high temperature environment, and the flow rate of the medium pressure boiler feed water is maintained at a temperature inside the first reaction part. Can be adjusted accordingly.
한편, 저온반응단계(S3)는 상기 제2반응부에서 상기 중간가스의 적어도 일부를 200 내지 250℃의 저온에서 저온촉매와 반응시켜 수소로 전환시킨다. 이에, 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 배출가스가 형성될 수 있다. On the other hand, the low temperature reaction step (S3) is converted to hydrogen by reacting at least a portion of the intermediate gas in the second reaction unit with a low temperature catalyst at a low temperature of 200 to 250 ℃. Thus, exhaust gas having a lower concentration of carbon monoxide than the intermediate gas may be formed.
또한, 저온반응단계(S3)는 저압 보일러 공급수를 공급받는 제2열교환기의 작동으로 200 내지 250℃의 저온환경을 유지할 수 있다. 상세하게, 저온반응단계(S3)에서 상기 제2열교환기에 공급되는 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 저온환경이 유지되고, 상기 저압 보일러 공급수의 유량은 상기 제2반응부 내부의 온도에 따라 조절될 수 있다.In addition, the low temperature reaction step (S3) may maintain a low temperature environment of 200 to 250 ℃ by the operation of the second heat exchanger receiving the low pressure boiler feed water. In detail, in the low temperature reaction step (S3), the flow rate of the low pressure boiler feed water supplied to the second heat exchanger is controlled to maintain the low temperature environment, and the flow rate of the low pressure boiler feed water is maintained at a temperature inside the second reaction part. Can be adjusted accordingly.
덧붙여, 가스공급단계(S1)와 고온반응단계(S2) 사이에 상기 합성가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제1유속조절단계를 더 포함할 수 있다. 이에, 상기 제1반응부에서 고온반응단계(S2)에서의 수소 생성 반응이 균일하게 이루어질 수 있다. 또한, 고온반응단계(S2)와 저온반응단계(S3) 사이에 상기 중간가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제2유속조절단계를 더 포함할 수 있다. 이에, 상기 제2반응부에서 저온반응단계(S3)에서의 수소 생성 반응이 균일하게 이루어질 수 있다.In addition, the method may further include a first flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the syngas between the gas supply step S1 and the high temperature reaction step S2. Thus, the hydrogen generation reaction in the high temperature reaction step (S2) in the first reaction unit may be made uniform. The method may further include a second flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the intermediate gas between the high temperature reaction step S2 and the low temperature reaction step S3. Thus, the hydrogen generation reaction in the low temperature reaction step (S3) in the second reaction unit may be made uniform.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 나타낸다.Hereinafter, the Example of this invention is shown in detail.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 시스템에서 수행되는 반응을 상용 프로그램을 이용하여 공정 모사 및 공정 모사 결과를 도시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a process simulation and a process simulation result by using a commercial program for the reaction performed in the water gas conversion system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 고온촉매를 포함하는 제1반응부(MTS1)와 저온촉매를 포함하는 제2반응부(LTS1) 사이에 서로 연결하는 별도의 연결장치 또는 배관이 배제되었다. 이에, 저온촉매를 포함하는 제2반응부(LTS1)로 유입되는 중간가스의 온도가 촉매의 최소 운전 온도보다 약 70℃ 높은 250℃이므로 별도의 냉각에 의한 수분 응축과 재가열 과정이 생략될 수 있다. 즉 실시예에서는 제2반응부(LTS1)에서 배출되는 배출가스의 온도가 189℃이며, 이 값은 증기의 포화온도 160℃보다 약 29℃ 높은 온도로서 수분 응축의 우려가 없어 열효율이 개선되고 열손실이 최소될 수 있다. Referring to FIG. 4, a separate connection device or a pipe connecting between the first reaction unit MTS1 including the high temperature catalyst and the second reaction unit LTS1 including the low temperature catalyst is excluded. Therefore, since the temperature of the intermediate gas flowing into the second reaction part LTS1 including the low temperature catalyst is 250 ° C., which is about 70 ° C. higher than the minimum operating temperature of the catalyst, the water condensation and reheating by separate cooling may be omitted. . That is, in the embodiment, the temperature of the exhaust gas discharged from the second reaction part LTS1 is 189 ° C, which is about 29 ° C higher than the saturation temperature of steam of 160 ° C. Losses can be minimized.
도 5는 비교예에 관련된 종래의 수성가스전환 시스템의 개념도를 나타내었다. 5 shows a conceptual diagram of a conventional water gas conversion system according to a comparative example.
도 5를 참조하면, 합성가스(1a)와 증기(1b)가 서로 혼합되어 고온 수성가스 전환 반응기(140')로 유입된다. 상세하게, 비교예에서는 촉매 표면에서의 증기 응축을 예방하기 위하여 저온 수성가스전환 반응기(150')의 전단에서 반응 가스의 온도를 저온용 촉매가 작동하는 최소 온도(180℃)보다 약 20℃ 낮춘 157℃에서 수분을 응축시킨 후 다시 180℃로 재가열하였다. 이에, 가스 중의 증기가 과열상태가 되어 저온 수성가스변환 반응기(150')로 주입하는 조건으로 설정하였다.Referring to FIG. 5, the synthesis gas 1a and the
비교예의 경우, 고온 수성가스 전환 반응기(140')로 246℃의 합성가스가 주입된다. 이어서, 고온 수성가스 전환 반응기(140')에서의 반응에 의해 고온 수성가스 전환 반응기(140') 후단에서 배출되는 중간가스의 온도는 464℃로 상승하게 된다. 이후, 열교환기(11')로 상기 중간가스를 약 160℃로 냉각하고, 포화된 상태의 수증기를 응축기(17')로 응축하여 제거시킨다. 또한, 160℃로 포화된 상기 중간가스는 고온 수성가스 전환 반응기(140') 내에서의 수분 응축을 방지하기 위하여 다시 재가열기(14')로 180℃까지 재가열 된 후 고온 수성가스 전환 반응기(140')로 주입된다. 마지막으로, 고온 수성가스 전환 반응기(140')의 후단에서는 반응후 배출되는 배출가스의 온도는 213℃까지 상승하는 것을 알 수 있다.In the comparative example, 246 ° C. synthesis gas is injected into the high temperature water
전술된 본 발명의 일 실시예에 관련된 수성가스전환 시스템 및 비교예에 관련된 종래의 수성가스전환 시스템의 성능 시뮬레이션 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the results of the performance simulation of the water gas shift system according to the embodiment of the present invention and the conventional water gas shift system according to the comparative example.
(Isothermal MTS+LTS)(Isothermal MTS + LTS)
( HTS+LTS)(HTS + LTS)
또한, 실시예와 비교예의 일산화탄소 전환율을 계산할 수 있다. 상세하게, 실시예의 반응전의 일산화탄소 농도가 24%에서 0.101%로 감소하며 일산화탄소 전환율은 약 99.57%가 된다. 한편, 비교예의 반응전의 일산화탄소 농도가 24%에서 0.216%로 감소하며 일산화탄소 전환율은 약 99.09%가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예는 비교예에 비하여 일산화탄소 전환율 또한 높은 것을 알 수 있다.In addition, the carbon monoxide conversion of the Examples and Comparative Examples can be calculated. Specifically, the carbon monoxide concentration before the reaction of the example is reduced from 24% to 0.101% and the carbon monoxide conversion is about 99.57%. On the other hand, it can be seen that the carbon monoxide concentration before the reaction of the comparative example is reduced from 24% to 0.216% and the carbon monoxide conversion is about 99.09%. Therefore, it can be seen that the Example also has a higher carbon monoxide conversion rate than the Comparative Example.
발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. It will be apparent to those skilled in the art that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features thereof.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.In addition, the above detailed description should not be interpreted as limiting in all aspects and should be considered as illustrative. The scope of the invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention.
100: 수성가스전환 반응기
110: 합성가스공급부
120: 가스반응부
130: 배출부
140: 제1반응부
150: 제2반응부
160: 제1다공판
170: 제2다공판
1000: 수성가스전환 시스템
1: 미반응가스
2:중압증기
3: 저압증기
4: 배출가스
5: 저압 보일러 공급수
6: 중압 보일러 공급수
11, 21, 31: 열교환기
12, 22, 32, 42: 유량제어밸브
13, 23: 압력제어밸브
14, 24: 전기가열기
15, 25: 수위계
16, 26: 압력계
17, 27: 기수분리기
18, 28, 38: 유량계
19: 저압증기 응축수 순환 펌프100: water gas shift reactor
110: syngas supply unit
120: gas reaction part
130: discharge part
140: first reaction part
150: second reaction unit
160: first perforated plate
170: second perforated plate
1000: water gas conversion system
1: unreacted gas 2: medium pressure steam
3: low pressure steam 4: exhaust gas
5: low pressure boiler feed water 6: medium pressure boiler feed water
11, 21, 31: heat exchanger
12, 22, 32, 42: flow control valve
13, 23: pressure control valve
14, 24:
16, 26:
18, 28, 38: flow meter
19: low pressure condensate circulation pump
Claims (22)
상기 합성가스를 촉매와 반응시켜 수소로 전환시키는 가스반응부; 및
상기 가스반응부를 통과하여 생성된 배출가스를 배출하도록 형성되는 배출부를 포함하고,
상기 가스반응부는,
상기 합성가스공급부로부터 연장 형성되고, 상기 합성가스에 포함된 일산화탄소를 고온에서 수소로 전환시키는 고온촉매를 포함하여 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 생성하도록 형성되는 제1반응부; 및
상기 제1반응부로부터 연장 형성되고, 상기 중간가스가 유입되도록 형성되고, 상기 중간가스에 포함된 일산화탄소를 저온에서 수소로 전환시키는 저온촉매를 포함하여 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 상기 배출가스를 생성하도록 형성되는 제2반응부를 포함하고,
상기 제1반응부 및 상기 제2반응부는 상기 가스반응부에 일체형으로 형성되고,
상기 제1반응부는 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제1열교환부를 구비하고,
상기 제2반응부는 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제2열교환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.Syngas supply unit for supplying a synthesis gas containing a gas containing carbon monoxide and steam;
A gas reaction unit for converting the synthesis gas into hydrogen by reacting the synthesis gas; And
And a discharge part formed to discharge the discharge gas generated through the gas reaction part.
The gas reaction unit,
A first reaction unit extending from the synthesis gas supply unit and configured to generate an intermediate gas having a lower carbon monoxide concentration than the synthesis gas, including a high temperature catalyst converting carbon monoxide contained in the synthesis gas into hydrogen at a high temperature; And
The exhaust gas extends from the first reaction part, is formed to introduce the intermediate gas, and has a lower concentration of carbon monoxide than the intermediate gas, including a low temperature catalyst for converting carbon monoxide contained in the intermediate gas from low temperature to hydrogen. It includes a second reaction unit is formed to produce,
The first reaction part and the second reaction part are integrally formed with the gas reaction part,
The first reaction unit has a first heat exchanger formed to supply the medium pressure boiler feed water,
Wherein the second reaction part has a second heat exchange part formed to supply low pressure boiler feed water.
상기 가스반응부 내부의 상기 합성가스공급부와 상기 제1반응부 사이에 제1다공판이 구비되고,
상기 제1다공판은 상기 합성가스의 유속 분포를 고르게 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 1,
A first porous plate is provided between the syngas supply unit and the first reaction unit inside the gas reaction unit.
The first porous plate is formed to evenly distribute the flow rate of the synthesis gas.
상기 제1다공판 하부에 제1온도계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 2,
Water gas conversion reactor characterized in that it comprises a first thermometer under the first porous plate.
상기 제1열교환부는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 3,
Wherein the first heat exchange part is formed of a shell-tube type heat exchanger structure.
상기 제1열교환부의 튜브측은 상기 합성가스가 유동을 형성하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 4, wherein
The tube side of the first heat exchange unit is a water gas conversion reactor, characterized in that the synthesis gas is formed to form a flow.
상기 제1열교환부의 쉘측은,
상기 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제1공급부;
상기 합성가스가 상기 중간가스로 전환되며 발생되는 열을 공급받아 상기 중압 보일러 공급수가 상변화한 증기를 포함하는 중압 증기를 배출하도록 형성되는 제1배출부; 및
상기 제1배출부로부터 배출되는 중압 증기에 포함된 액체를 분리하여 상기 제1열교환부의 쉘측으로 공급하도록 형성되는 제2공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 4, wherein
The shell side of the first heat exchange part is
A first supply unit configured to supply the medium pressure boiler feed water;
A first discharge part configured to discharge the medium pressure steam including steam in which the medium pressure boiler feed water is phase-changed by receiving the heat generated while the synthesis gas is converted into the intermediate gas; And
And a second supply unit configured to separate the liquid contained in the medium pressure steam discharged from the first discharge unit and supply the liquid to the shell side of the first heat exchange unit.
상기 제1배출부에 연장 형성된 제1기수분리부를 더 구비하고,
상기 제1기수분리부에서 분리된 응축수는 상기 제2공급부로 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 6,
Further provided with a first radiator separating portion extending to the first discharge portion,
Water-condensation reactor, characterized in that the condensed water separated in the first water separator is formed to be supplied to the second supply.
상기 제1온도계에서 측정된 온도에 따라서 상기 제1공급부에서 공급되는 상기 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 제1반응부의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 6,
The water gas shift reactor according to the temperature measured by the first thermometer, the flow rate of the medium pressure boiler feed water supplied from the first supply is adjusted so that the temperature of the first reaction section is kept constant.
상기 가스반응부 내부의 상기 제1반응부와 상기 제2반응부 사이에 제2다공판이 구비되고,
상기 제2다공판은 상기 중간가스의 유속 분포를 고르게 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 1,
A second porous plate is provided between the first reaction part and the second reaction part inside the gas reaction part.
The second porous plate is formed to evenly distribute the flow rate of the intermediate gas water gas conversion reactor.
상기 제2다공판 하부에 제2온도계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 9,
Water gas conversion reactor characterized in that it comprises a second thermometer under the second porous plate.
상기 배출부의 상부에는 제3온도계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 10,
Water gas conversion reactor characterized in that it comprises a third thermometer at the upper portion of the discharge.
상기 제2열교환부는 쉘(shell)-튜브(tube)형 열교환기 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 11,
The second heat exchange unit is a water-gas shift reactor, characterized in that formed in a shell (tube) tube heat exchanger structure.
상기 제2열교환부의 튜브측은 상기 중간가스가 유동을 형성하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 12,
The tube side of the second heat exchange unit is a water gas conversion reactor, characterized in that the intermediate gas is formed to form a flow.
상기 제2열교환부의 쉘측은,
상기 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제3공급부;
상기 중간가스가 상기 배출가스로 전환되며 발생되는 열을 공급받아 상기 저압 보일러 공급수가 상변화한 증기를 포함하는 저압 증기를 배출하도록 형성되는 제2배출부; 및
상기 제2배출부로부터 배출되는 저압 증기에 포함된 액체를 분리하여 상기 제2열교환부의 쉘측으로 공급하도록 형성되는 제4공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 12,
The shell side of the second heat exchange part is
A third supply unit configured to supply the low pressure boiler feed water;
A second discharge part configured to discharge the low pressure steam including the vapor in which the low pressure boiler feed water is phase-changed by receiving the heat generated while the intermediate gas is converted into the discharge gas; And
And a fourth supply unit configured to separate the liquid contained in the low pressure steam discharged from the second discharge unit and supply the liquid to the shell side of the second heat exchange unit.
상기 제2배출부에 연장 형성된 제2기수분리부를 더 구비하고,
상기 제2기수분리부에서 분리된 응축수는 상기 제4공급부로 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 14,
Further provided with a second radiator separator extending to the second discharge portion,
Water-condensation reactor, characterized in that the condensed water separated in the second water separator is formed to be supplied to the fourth supply.
상기 제2온도계 및 상기 제3온도계에서 측정된 온도에 따라서 상기 제3공급부에서 공급되는 상기 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 제2반응부의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응기.The method of claim 14,
Water gas, characterized in that the flow rate of the low-pressure boiler feed water supplied from the third supply unit is adjusted according to the temperature measured by the second thermometer and the third thermometer to maintain a constant temperature of the second reaction unit Conversion reactor.
합성가스공급부로 일산화탄소를 포함하는 가스 및 스팀을 포함하는 합성가스를 공급하는 가스공급단계;
상기 제1반응부에서 상기 합성가스를 300 내지 450℃의 고온에서 고온촉매와 반응시켜 합성가스의 적어도 일부를 수소로 전환시키고, 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 형성하는 고온반응단계;
상기 제2반응부에서 상기 중간가스의 적어도 일부를 200 내지 250℃의 저온에서 저온촉매와 반응시켜 수소로 전환시키고, 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 배출가스를 형성하는 저온반응단계; 및
상기 수성가스전환 반응기에서 상기 배출가스를 배출하는 배출단계를 포함하고,
상기 고온반응단계는 중압 보일러 공급수가 공급되는 제1열교환기의 작동으로 300 내지 450℃의 고온환경을 유지하고,
상기 저온반응단계는 저압 보일러 공급수가 공급되는 제2열교환기의 작동으로 200 내지 250℃의 저온환경을 유지하는 것을 특징으로 하는 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법.In the hydrogen production method using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit,
A gas supply step of supplying a synthesis gas including a gas containing carbon monoxide and steam to the syngas supply unit;
A high temperature reaction step of reacting the synthesis gas with a high temperature catalyst at a high temperature of 300 to 450 ℃ in the first reaction unit to convert at least a portion of the synthesis gas to hydrogen, and to form an intermediate gas having a lower concentration of carbon monoxide than the synthesis gas ;
A low temperature reaction step of reacting at least a portion of the intermediate gas with a low temperature catalyst at a low temperature of 200 to 250 ° C. in the second reaction unit to convert hydrogen into a hydrogen and forming an exhaust gas having a lower concentration of carbon monoxide than the intermediate gas; And
A discharge step of discharging the exhaust gas from the water gas conversion reactor;
The high temperature reaction step is to maintain a high temperature environment of 300 to 450 ℃ by the operation of the first heat exchanger supplied with the medium pressure boiler feed water,
The low temperature reaction step is hydrogen using a water gas conversion reactor including a first reaction unit and a second reaction unit, characterized in that to maintain a low temperature environment of 200 to 250 ℃ by operation of the second heat exchanger supplied with low-pressure boiler feed water Production method.
상기 가스공급단계와 상기 고온반응단계 사이에 상기 합성가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제1유속조절단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법.The method of claim 18,
Using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit comprising a first flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the synthesis gas between the gas supply step and the high temperature reaction step. Hydrogen Production Method.
상기 고온반응단계에서 상기 제1열교환기에 공급되는 중압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 고온환경이 유지되고,
상기 중압 보일러 공급수의 유량은 상기 제1반응부 내부의 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법.The method of claim 18,
In the high temperature reaction step, the flow rate of the medium pressure boiler feed water supplied to the first heat exchanger is controlled to maintain the high temperature environment.
Flow rate of the medium pressure boiler feed water is a hydrogen production method using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit, characterized in that adjusted according to the temperature inside the first reaction unit.
상기 고온반응단계와 상기 저온반응단계 사이에 상기 중간가스의 유속 분포를 고르게 형성하는 제2유속조절단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법.The method of claim 18,
Using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit comprising a second flow rate adjusting step of uniformly forming a flow rate distribution of the intermediate gas between the high temperature reaction step and the low temperature reaction step. Hydrogen Production Method.
상기 저온반응단계에서 상기 제2열교환기에 공급되는 저압 보일러 공급수의 유량이 조절되어 상기 저온환경이 유지되고,
상기 저압 보일러 공급수의 유량은 상기 제2반응부 내부의 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 제1반응부 및 제2반응부를 포함하는 수성가스전환 반응기를 이용한 수소생산방법.The method of claim 18,
In the low temperature reaction step, the flow rate of the low pressure boiler feed water supplied to the second heat exchanger is controlled to maintain the low temperature environment.
The flow rate of the low pressure boiler feed water is hydrogen production method using a water gas conversion reactor comprising a first reaction unit and a second reaction unit, characterized in that adjusted according to the temperature inside the second reaction unit.
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|---|---|---|---|---|
| KR102292411B1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-08-24 | 제이엔케이히터(주) | High-purity hydrogen production system through water gas conversion reaction during petroleum coke synthesis gasification process for hydrogen production |
| KR20210127336A (en) | 2020-04-14 | 2021-10-22 | 종 신 김 | IOT of water conservation system |
| KR102316737B1 (en) | 2021-05-31 | 2021-10-26 | 고등기술연구원연구조합 | Water gas shift reactor capable of uniform temperature control |
| KR102316734B1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-10-26 | 고등기술연구원연구조합 | Water gas conversion isothermal catalytic reaction device including a catalytic membrane |
| KR20220142755A (en) | 2021-04-15 | 2022-10-24 | 종 신 김 | Smart water-saving system and water-saving control method for recycling of used water |
| KR102525842B1 (en) | 2023-02-14 | 2023-04-26 | 고등기술연구원연구조합 | Multi-stage fixed-bed heat exchanger-integrated water gas shift reactor using syngas with high concentrations of carbon monoxide |
| KR102586878B1 (en) * | 2023-03-28 | 2023-10-11 | 제이엔케이히터(주) | High-purity hydrogen production high temperature reactor through water gas shift reaction during the syngas production process using petroleum coke |
| KR102593782B1 (en) * | 2023-03-28 | 2023-10-26 | 제이엔케이히터(주) | High-purity hydrogen production system through water gas shift reaction during the syngas production process using petroleum coke |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210127336A (en) | 2020-04-14 | 2021-10-22 | 종 신 김 | IOT of water conservation system |
| KR20220142755A (en) | 2021-04-15 | 2022-10-24 | 종 신 김 | Smart water-saving system and water-saving control method for recycling of used water |
| KR102292411B1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-08-24 | 제이엔케이히터(주) | High-purity hydrogen production system through water gas conversion reaction during petroleum coke synthesis gasification process for hydrogen production |
| KR102316737B1 (en) | 2021-05-31 | 2021-10-26 | 고등기술연구원연구조합 | Water gas shift reactor capable of uniform temperature control |
| KR102316734B1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-10-26 | 고등기술연구원연구조합 | Water gas conversion isothermal catalytic reaction device including a catalytic membrane |
| KR102525842B1 (en) | 2023-02-14 | 2023-04-26 | 고등기술연구원연구조합 | Multi-stage fixed-bed heat exchanger-integrated water gas shift reactor using syngas with high concentrations of carbon monoxide |
| KR102586878B1 (en) * | 2023-03-28 | 2023-10-11 | 제이엔케이히터(주) | High-purity hydrogen production high temperature reactor through water gas shift reaction during the syngas production process using petroleum coke |
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